Η ακτινοβολία Hawking και οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορεί να αλλάξουν την Φυσική όπως την ξέρουμε!

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBH), οι οποίες πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν αμέσως μετά το Big Bang, μπορεί να θερμαίνονται και να εκρήγνυνται σε όλο το Σύμπαν. Αυτές οι εκρήξεις μαύρων οπών, που τροφοδοτούνται από την ακτινοβολία Hawking – μια κβαντική διαδικασία κατά την οποία οι μαύρες τρύπες παράγουν σωματίδια από το κενό λόγω των έντονων βαρυτικών τους πεδίων – θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από τα επερχόμενα τηλεσκόπια, προτείνουν οι Φυσικοί σε μια νέα μελέτη. Και, μόλις εντοπιστούν, αυτές οι εξωτικές εκρήξεις θα μπορούσαν να αποκαλύψουν αν το Σύμπαν μας περιέχει σωματίδια που δεν είχαν ανακαλυφθεί προηγουμένως.

Υπάρχουν ήδη πολλές ενδείξεις για την ύπαρξη μαύρων τρυπών που κυμαίνονται από μερικές φορές τη μάζα του Ήλιου έως δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του άστρου μας. Αυτές οι μαύρες τρύπες έχουν ανιχνευθεί άμεσα μέσω των βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπουν κατά τη διάρκεια των συγχωνεύσεων που τις βοηθούν να αναπτυχθούν. Ορισμένες μαύρες τρύπες, όπως η Τοξότης Α* του Γαλαξία μας, έχουν μάλιστα απεικονιστεί άμεσα ως «σκιές» από το τηλεσκόπιο Event Horizon.

Οι PBH, που προτάθηκαν για πρώτη φορά από τους Yakov Zeldovich και Igor Novikov το 1967, πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν μέσα στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου από το Big Bang και μπορεί να ήταν τόσο μικρές όσο τα υποατομικά σωματίδια, σύμφωνα με τη NASA. Σε αντίθεση με τα μεγαλύτερα ομόλογά τους, τα οποία σχηματίζονται από την κατάρρευση ογκωδών αστέρων και γαλαξιών, τα PBH ενδέχεται να προέκυψαν από την κατάρρευση υπερπυκνών περιοχών στην εξαιρετικά θερμή “αρχέγονη σούπα” σωματιδίων στο πρώιμο Σύμπαν.

Αν υπάρχουν, αυτά τα συμπαγή αντικείμενα θα μπορούσαν να δώσουν μια φυσική εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη, την αόρατη οντότητα που αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο Σύμπαν. Ωστόσο, τα PBH παραμένουν ασύλληπτα. Η θεωρητική τους ύπαρξη υποστηρίζεται από ένα συνδυασμό κοσμολογικών μοντέλων, αλλά δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί άμεσα.

Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες πτυχές των PBH είναι η σύνδεσή τους με την ακτινοβολία Hawking. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, οι μαύρες τρύπες δεν είναι εντελώς “μαύρες”- μπορούν να εκπέμπουν ακτινοβολία και να χάνουν σιγά σιγά μάζα μέσω μιας διαδικασίας που πρώτος διατύπωσε θεωρητικά ο Stephen Hawking. Αυτή η εκπομπή, γνωστή ως ακτινοβολία Hawking, συμβαίνει όταν εικονικά ζεύγη σωματιδίων εισέρχονται και εξέρχονται από το κενό του χώρου κοντά στην άκρη μιας μαύρης τρύπας – τον «ορίζοντα γεγονότων» της. Ενώ αυτά τα ζεύγη κανονικά αλληλοεξουδετερώνονται, αν το ένα πέσει μέσα στη μαύρη τρύπα, το άλλο σωματίδιο μπορεί να διαφύγει ως ακτινοβολία. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό οδηγεί στη σταδιακή εξάτμιση της μαύρης τρύπας.

«Για μαύρες τρύπες με μάζα μεγαλύτερη από μερικές φορές αυτή του Ήλιου, η ακτινοβολία Hawking είναι σχεδόν μη ανιχνεύσιμη», αναφέρει ο Marco Calzà, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Coimbra στην Πορτογαλία και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Αλλά οι ελαφρύτερες μαύρες τρύπες – όπως οι PBH – θα ήταν πολύ πιο θερμές και θα εξέπεμπαν πολύ περισσότερη ακτινοβολία, επιτρέποντάς μας ενδεχομένως να ανιχνεύσουμε αυτή τη διαδικασία. Αυτή η ακτινοβολία μπορεί να περιλαμβάνει μια ποικιλία σωματιδίων, από φωτόνια έως ηλεκτρόνια και νετρίνα».

Καθώς η PBH εξατμίζεται, χάνει μάζα, γίνεται θερμότερη και εκπέμπει περισσότερη ακτινοβολία σε έναν βρόχο ανατροφοδότησης. Τελικά, η μαύρη τρύπα θα εκραγεί με μια ισχυρή έκρηξη ακτινοβολίας, μια διαδικασία που τα υπάρχοντα τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα και νετρίνων αναζητούν ενεργά. Αν και δεν έχουν εντοπιστεί ακόμη οριστικές εκρήξεις PBH, η νέα μελέτη υποδηλώνει ότι αυτά τα σπάνια γεγονότα θα μπορούσαν να αποτελέσουν το κλειδί για το ξεκλείδωμα μιας νέας Φυσικής.

Στην πρόσφατη μελέτη τους, ο Calzà και ο João G. Rosa, επίσης θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Coimbra, εισήγαγαν καινοτόμες μεθόδους για τη μελέτη των PBHs κατά τα τελικά στάδια εξάτμισής τους. Αναλύοντας τις ιδιότητες της ακτινοβολίας Hawking, το δίδυμο ανέπτυξε εργαλεία για την εκτίμηση της μάζας και του σπιν ενός PBH.

Το έργο τους έχει σημαντικές επιπτώσεις στη Θεμελιώδη Φυσική. Σε μια προηγούμενη μελέτη, οι Rosa, Calzà και ο συνεργάτης τους John March-Russell του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης διερεύνησαν πώς η θεωρία των χορδών (μια προσπάθεια ενοποίησης των θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης μέσα σε μια ενιαία κβαντική θεωρία) θα μπορούσε να επηρεάσει μια εξατμιζόμενη PBH. Η θεωρία χορδών προβλέπει την ύπαρξη πολυάριθμων σωματιδίων χαμηλής μάζας που ονομάζονται αξιόνια, τα οποία δεν έχουν εγγενές σπιν. Η έρευνά τους υπέδειξε ότι η εκπομπή αξιόντων θα μπορούσε στην πραγματικότητα να περιστρέψει ένα PBH, σε αντίθεση με τις προβλέψεις του Hawking.

Επιπλέον, η μελέτη υποδηλώνει ότι η ανάλυση της εξέλιξης της μάζας και του σπιν ενός PBH στις τελευταίες στιγμές του θα μπορούσε να αποκαλύψει την ύπαρξη άλλων νέων σωματιδίων. Παρακολουθώντας το φάσμα της ακτινοβολίας Hawking, οι επιστήμονες ίσως μπορέσουν να διακρίνουν μεταξύ των μοντέλων της Σωματιδιακής Φυσικής Υψηλών Ενεργειών. Τηλεσκόπια νετρίνων, όπως το IceCube, θα μπορούσαν ακόμη και να βοηθήσουν στην αποκάλυψη αυτών των νέων σωματιδίων καθώς τα PBH εκρήγνυνται στο Διάστημα.

«Αν μπορέσουμε να πιάσουμε έστω και ένα PBH που εκρήγνυται και να μετρήσουμε την ακτινοβολία Hawking, θα μπορούσαμε να μάθουμε για νέα σωματίδια και ενδεχομένως να καθοδηγήσουμε το σχεδιασμό μελλοντικών επιταχυντών σωματιδίων», δήλωσε ο Rosa.

Αν και δεν έχει εντοπιστεί ακόμη κανένα PBH που να εκρήγνυται, τα εργαλεία και οι μέθοδοι που ανέπτυξε η ομάδα των Calzà και Rosa θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για μελλοντικές ανακαλύψεις. Οι ερευνητές τόνισαν ότι τα ειδικά πειράματα μπορεί να μην είναι απαραίτητα, καθώς αρκετά νέα τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα και νετρίνων με πρωτοφανή ευαισθησία βρίσκονται ήδη υπό ανάπτυξη.

«Τα επερχόμενα τηλεσκόπια θα μπορούσαν εύκολα να εντοπίσουν ένα, αν εκραγεί σε κοντινή απόσταση. Αν είμαστε αρκετά τυχεροί για να ανιχνεύσουμε ένα PBH που εκρήγνυται, θα μπορούσε να αλλάξει όλα όσα γνωρίζουμε για τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης», δήλωσε ο Rosa.

[via]